CN114086102A - 一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3‑YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法，属于热障涂层技术领域，本发明所述双陶瓷层热障涂层是由金属粘结层、YSZ陶瓷中间层和Ba(Mg1/ 3Ta2/3)O3陶瓷面层组成。所述方法为：采用等离子喷涂技术在经喷砂处理的基体表面依次沉积金属粘结层、YSZ陶瓷中间层和Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层。所述方法可控性强、重复性好且成本较低，所得涂层具有良好的抗热冲击性能，解决了Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层涂层在使用过程中过早剥落失效的问题。

Description

一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于热障涂层技术领域，具体涉及一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法。
背景技术
热障涂层作为高性能航空发动机研制的关键技术之一，其应用可以显著提升发动机的服役温度，大幅提高发动机的推重比和热效率。7~8 wt.% Y2O3部分稳定ZrO2（YSZ），因其优异的综合性能，是目前应用最广泛的热障涂层陶瓷层材料。但面对新一代航空发动机更高推重比的发展要求，更高的涡轮前进口温度导致YSZ涂层的表面温度超过1200℃。在此温度长期使用时，YSZ暴露出的相变、烧结等问题将恶化涂层的隔热性能和应变容限，使涂层过早地剥落失效，无法保障航空发动机的安全服役。因此，为了适应新一代航空发动机更加严苛的热防护需求，迫切需要研发可耐更高使用温度的新型超高温、长寿命陶瓷涂层材料。
钙钛矿结构材料ABO3因A、B位元素丰富的可替代性而使其性能具有较大的可调控性，近年来逐渐受到研究者关注。其中，复合钙钛矿结构材料Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 具有高达3100℃的熔点、与YSZ材料相当的热导率(2.5W·m-1·K-1，1200℃)和热膨胀系数(9.5~11.5×10-6K-1，200-1200℃)、较YSZ更低的杨氏模量(186 ± 2GPa)和烧结速率，这些特性使其在热障涂层领域展现出很好的应用潜力。然而，在对Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 作为热障涂层陶瓷层材料的研究中发现，大气等离子喷涂制备的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 单陶瓷层涂层的抗热冲击性能很差，存在过早剥落失效的问题，严重限制了其应用发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法，所述方法制备的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层具有良好的抗热冲击性能，所述方法可控性强、重复性好且成本较低。
本发明采用如下技术方案：
一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层，包括基体表面依次沉积的金属粘结层、YSZ陶瓷中间层和Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层。
进一步地，所述基体包括纯金属或合金。
进一步地，所述金属粘结层为CoNiCrAlY，成分为Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y（wt%）。
进一步地，所述YSZ陶瓷中间层为7wt%Y2O3部分稳定的ZrO2。
进一步地，所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层选用Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末制备。
进一步地，所述金属粘结层的厚度为70~120μm，YSZ陶瓷中间层的厚度为150~350μm，Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层的厚度为350~150μm。
一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法如下：
第一步，采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗，并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理，使粗糙度达到3~5μm；
第二步，利用等离子射流对基体表面进行扫描预热，控制基体预热温度为100~150℃；
第三步，采用等离子喷涂技术，将CoNiCrAlY粉末喷涂到第二步处理后的基体表面，得到金属粘结层；
第四步，采用等离子喷涂技术，将YSZ粉末喷涂到金属粘结层表面，得到YSZ陶瓷中间层；
第五步，采用等离子喷涂技术，将Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末喷涂到YSZ陶瓷中间层表面，即可获得所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层。
进一步地，所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末的制备方法如下：
第一步，将BaCO3、Ta2O5和MgO按照Ba(Mg1/3Ta2/3)O3计量称量后，和无水乙醇一并装入球磨罐中，球磨混合得到均匀浆料a；
球磨采用行星式球磨机，球料比4：1，转速400rpm，时长6h；磨球为直径10mm、8mm和5mm的ZrO2球；
第二步，将第一步得到的浆料a旋蒸烘干，得到混合粉末；
旋蒸条件为转速80rpm，水浴温度80℃；烘干条件为温度100℃，时长10h；
第三步，将第二步得到的混合粉末装入坩埚，置于马弗炉内高温煅烧反应；
高温煅烧条件为：以5℃/min升温速率加热至1450℃保温4h后随炉冷却；
第四步，将第三步得到的煅烧粉末研磨、过筛，与粘结剂、分散剂一并进行球磨获得浆料b；
所述煅烧粉末研磨过筛后粒径为10μm，所述粘结剂和分散剂分别为聚乙烯醇和去离子水；球磨时，以粉末和去离子水的总体质量为100%计，粉末和分散剂的质量占比分别为40%和60%，粘结剂占粉末总质量的0.4%，球料比2：1；球磨参数为：转速250rpm，时长2h。
第五步，将第四步得到的浆料b通过喷雾干燥塔进行团聚处理；
所述团聚处理条件为：喷雾干燥塔进口温度310℃，出口温度120℃，蠕动泵转速40rpm，雾化盘转速35Hz；
第六步，将第五步得到的粉末进行高温致密化处理，过筛，即可获得所述Ba(Mg1/ 3Ta2/3)O3团聚粉末；
所述中高温致密化处理通过马弗炉进行，以2℃/min升温速率加热至550℃保温3h，然后以5℃/min升温速率加热至1500℃保温6h后随炉冷却。
进一步地，第三步中等离子喷涂具体工艺参数为：主气Ar流量40~60L/min，辅气He流量3~6L/min，载气Ar流量2~4L/min，电流450~650A，送粉量2~6rpm，喷涂距离60~90mm，CoNiCrAlY粉末的粒径为10~45μm。
进一步地，第四步中等离子喷涂具体工艺参数为：主气Ar流量20~50L/min，辅气He流量15~30L/min，载气Ar流量2~4L/min，电流700~900A，送粉量2~6rpm，喷涂距离60~90mm，YSZ粉末的粒径为20~40μm。
进一步地，第五步中等离子喷涂具体工艺参数为：主气Ar流量30~60L/min，辅气He流量0L/min，载气Ar流量3~6L/min，电流650~850A，送粉量2~6rpm，喷涂距离50~70mm，Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末的粒径为40~70μm。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层及其制备方法，所得涂层具有良好的抗热冲击性能，解决了Ba(Mg1/3Ta2/3)O3涂层在使用过程中过早剥落失效的问题。
附图说明
图1为实施例1制得的350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图（SEM）。
图2为实施例2制得的250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图（SEM）。
图3为实施例3制得的150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图（SEM）。
图4为本发明提出的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层和同等陶瓷层厚度的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层的热冲击寿命图。
具体实施方式
结合附图，对本发明作进一步说明。
基体为GH3128镍基高温合金，购自钢铁研究总院；
等离子喷涂设备为美国Praxair-TAFA公司生产的5500型大气等离子喷涂 设备，喷枪型号为SG100；
扫描电子显微镜为日本Hitachi SU8010高分辨冷场发射扫描电子显微镜；
热冲击实验设备为BH-JLP型高温燃气热冲击模拟器。
实施例1
（1）采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗，并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理，使粗糙度达到5μm，后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂粒和灰尘。
（2）利用等离子射流对基体表面进行扫描预热，控制基体预热温度为150℃。
（3）采用等离子喷涂技术，将粒径为10~45μm的CoNiCrAlY粉末喷涂到步骤（2）处理后的基体表面，得到金属粘结层。具体喷涂工艺参数为：主气Ar流量56L/min，辅气He流量4.7L/min，载气Ar流量3.8L/min，电流550A，送粉量2rpm，喷涂距离75mm，粘结层厚度为80μm。
（4）采用等离子喷涂技术，将粒径为20~40μm的YSZ粉末喷涂到步骤（3）得到的金属粘结层表面，获得YSZ陶瓷中间层。具体喷涂工艺参数为：主气Ar流量35L/min，辅气He流量21.2L/min，载气Ar流量3.8L/min，电流850A，送粉量4rpm，喷涂距离75mm，YSZ陶瓷中间层厚度为150μm。
（5）采用等离子喷涂技术，将粒径为40~70μm的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末喷涂到步骤（4）得到的YSZ陶瓷中间层表面，即可获得所述350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷层热障涂层。等离子喷涂Ba(Mg1/3Ta2/3)O3的具体工艺参数为：主气Ar流量38L/min，辅气He流量0L/min，载气Ar流量4.7L/min，电流750A，送粉量4rpm，喷涂距离60mm，Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层厚度为350μm。
图1为本实施例中制备的350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图（SEM）。涂层中基体、粘结层及双陶瓷层间结合紧密，未出现开裂、孔洞或贯穿裂纹等。
采用BH-JLP型高温燃气热冲击模拟器对上述涂层在热端温度1400℃，冷端温度950~1000℃的条件下保温600s，然后使用压缩空气对试样进行强制冷却100s，进行抗热冲击性能测试。经过69次热冲击后，350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷涂层热障涂层的剥落面积达到20%，而Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层达到同等失效条件的热冲击寿命仅为5次。350μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-150μmYSZ双陶瓷涂层相比Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层的热冲击寿命提高了12.8倍。
实施例2
（1）采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗，并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理，使粗糙度达到5μm，后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂粒和灰尘。
（2）利用等离子射流对基体表面进行扫描预热，控制基体预热温度为150℃。
（3）采用等离子喷涂技术，将粒径为10~45μm的CoNiCrAlY粉末喷涂到步骤（2）处理后的基体表面，得到金属粘结层。具体喷涂工艺参数为：主气Ar流量56L/min，辅气He流量4.7L/min，载气Ar流量3.8L/min，电流550A，送粉量2rpm，喷涂距离75mm，粘结层厚度为80μm。
（4）采用等离子喷涂技术，将粒径为20~40μm的YSZ粉末喷涂到步骤（3）得到的金属粘结层表面，获得YSZ陶瓷中间层。具体喷涂工艺参数为：主气Ar流量35L/min，辅气He流量21.2L/min，载气Ar流量3.8L/min，电流850A，送粉量4rpm，喷涂距离75mm，YSZ陶瓷中间层厚度为250μm。
（5）采用等离子喷涂技术，将粒径为40~70μm的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末喷涂到步骤（4）得到的YSZ陶瓷中间层表面，即可获得所述250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷层热障涂层。等离子喷涂Ba(Mg1/3Ta2/3)O3的具体工艺参数为：主气Ar流量38L/min，辅气He流量0L/min，载气Ar流量4.7L/min，电流750A，送粉量4rpm，喷涂距离60mm，Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层厚度为250μm。
图2为本实施例中制备的250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图（SEM）。涂层中各层结合紧密，涂层内部和界面处未出现开裂、孔洞或贯穿裂纹等。
采用BH-JLP型高温燃气热冲击模拟器对上述涂层在热端温度1400℃，冷端温度950~1000℃的条件下保温600s，然后使用压缩空气对试样进行强制冷却100s，进行抗热冲击性能测试。经过70次热冲击后，250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷涂层热障涂层的剥落面积达到20%，而Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层达到同等失效条件的热冲击寿命仅为5次。250μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-250μmYSZ双陶瓷涂层相比Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层的热冲击寿命提高了13倍。
实施例3
（1）采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗，并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理，使粗糙度达到5μm，后用干燥的压缩空气吹去附着在粗化表面的砂粒和灰尘。
（2）利用等离子射流对基体表面进行扫描预热，控制基体预热温度为150℃。
（3）采用等离子喷涂技术，将粒径为10~45μm的CoNiCrAlY粉末喷涂到步骤（2）处理后的基体表面，得到金属粘结层。具体喷涂工艺参数为：主气Ar流量56L/min，辅气He流量4.7L/min，载气Ar流量3.8L/min，电流550A，送粉量2rpm，喷涂距离75mm，粘结层厚度为80μm。
（4）采用等离子喷涂技术，将粒径为20~40μm的YSZ粉末喷涂到步骤（3）得到的金属粘结层表面，获得YSZ陶瓷中间层。具体喷涂工艺参数为：主气Ar流量35L/min，辅气He流量21.2L/min，载气Ar流量3.8L/min，电流850A，送粉量4rpm，喷涂距离75mm，YSZ陶瓷中间层厚度为350μm。
（5）采用等离子喷涂技术，将粒径为40~70μm的Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末喷涂到步骤（4）得到的YSZ陶瓷中间层表面，即可获得所述150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷层热障涂层。等离子喷涂Ba(Mg1/3Ta2/3)O3的具体工艺参数为：主气Ar流量38L/min，辅气He流量0L/min，载气Ar流量4.7L/min，电流750A，送粉量4rpm，喷涂距离60mm，Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层厚度为150μm。
图3为本实施例中制备的150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷层热障涂层截面的扫描电子显微镜图（SEM）。涂层中基体、粘结层及双陶瓷层间结合良好，未观察到开裂、孔洞或贯穿裂纹等明显缺陷。
采用BH-JLP型高温燃气热冲击模拟器对上述涂层在热端温度1400℃，冷端温度950~1000℃的条件下保温600s，然后使用压缩空气对试样进行强制冷却100s，进行抗热冲击性能测试。经过74次热冲击后，150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷涂层热障涂层的剥落面积达到20%，而Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层达到同等失效条件的热冲击寿命仅为5次。150μmBa(Mg1/3Ta2/3)O3-350μmYSZ双陶瓷涂层相比Ba(Mg1/3Ta2/3)O3单陶瓷层热障涂层的热冲击寿命提高了13.8倍。

Claims (7)

1.一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层，其特征在于：包括基体表面依次沉积的金属粘结层、YSZ陶瓷中间层和Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层；
所述基体包括纯金属或合金；
所述金属粘结层为CoNiCrAlY，成分为以质量百分数计的Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y；
所述YSZ陶瓷中间层为7wt%Y2O3部分稳定的ZrO2；
所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层选用Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末制备。
2.根据权利要求1所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层，其特征在于：所述金属粘结层的厚度为70~120μm，YSZ陶瓷中间层的厚度为150~350μm，Ba(Mg1/3Ta2/3)O3陶瓷面层的厚度为350~150μm。
3.一种如权利要求1或2所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，采用易挥发的有机溶剂丙酮对基体待喷涂面进行清洗，并通过-24目的白刚玉砂在0.5MPa压力下对待喷涂面进行喷砂粗化处理，使粗糙度达到3~5μm；
第二步，利用等离子射流对基体表面进行扫描预热，控制基体预热温度为100~150℃；
第三步，采用等离子喷涂技术，将CoNiCrAlY粉末喷涂到第二步处理后的基体表面，得到金属粘结层；
第四步，采用等离子喷涂技术，将YSZ粉末喷涂到金属粘结层表面，得到YSZ陶瓷中间层；
第五步，采用等离子喷涂技术，将Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末喷涂到YSZ陶瓷中间层表面，即可获得所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层。
4.根据权利要求3所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法，其特征在于：所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末的制备方法如下：
第一步，将BaCO3、Ta2O5和MgO按照Ba(Mg1/3Ta2/3)O3计量称量后，和无水乙醇一并装入球磨罐中，球磨混合得到均匀浆料a；
球磨采用行星式球磨机，球料比4：1，转速400rpm，时长6h；磨球为直径10mm、8mm和5mm的ZrO2球；
第二步，将第一步得到的浆料a旋蒸烘干，得到混合粉末；
旋蒸条件为转速80rpm，水浴温度80℃；烘干条件为温度100℃，时长10h；
第三步，将第二步得到的混合粉末装入坩埚，置于马弗炉内高温煅烧反应；
高温煅烧条件为：以5℃/min升温速率加热至1450℃保温4h后随炉冷却；
第四步，将第三步得到的煅烧粉末研磨、过筛，与粘结剂、分散剂一并进行球磨获得浆料b；
所述煅烧粉末研磨过筛后粒径为10μm，所述粘结剂和分散剂分别为聚乙烯醇和去离子水；球磨时，以粉末和去离子水的总体质量为100%计，粉末和分散剂的质量占比分别为40%和60%，粘结剂占粉末总质量的0.4%，球料比2：1；球磨参数为：转速250rpm，时长2h；
第五步，将第四步得到的浆料b通过喷雾干燥塔进行团聚处理；
所述团聚处理条件为：喷雾干燥塔进口温度310℃，出口温度120℃，蠕动泵转速40rpm，雾化盘转速35Hz；
第六步，将第五步得到的粉末进行高温致密化处理，过筛，即可获得所述Ba(Mg1/3Ta2/3)O3团聚粉末；
所述中高温致密化处理通过马弗炉进行，以2℃/min升温速率加热至550℃保温3h，然后以5℃/min升温速率加热至1500℃保温6h后随炉冷却。
5.根据权利要求3所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法，其特征在于：第三步中等离子喷涂具体工艺参数为：主气Ar流量40~60L/min，辅气He流量3~6L/min，载气Ar流量2~4L/min，电流450~650A，送粉量2~6rpm，喷涂距离60~90mm，CoNiCrAlY粉末的粒径为10~45μm。
6.根据权利要求3所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法，其特征在于：第四步中等离子喷涂具体工艺参数为：主气Ar流量20~50L/min，辅气He流量15~30L/min，载气Ar流量2~4L/min，电流700~900A，送粉量2~6rpm，喷涂距离60~90mm，YSZ粉末的粒径为20~40μm。
7.根据权利要求3所述的一种Ba(Mg1/3Ta2/3)O3-YSZ双陶瓷层热障涂层的制备方法，其特征在于：第五步中等离子喷涂具体工艺参数为：主气Ar流量30~60L/min，辅气He流量0L/min，载气Ar流量3~6L/min，电流650~850A，送粉量2~6rpm，喷涂距离50~70mm，Ba(Mg1/3Ta2/3)O3粉末的粒径为40~70μm。
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